抽油桿柱疲勞斷裂失效分析

梁辰，鄧福成，李惠子，龔寧，孫文國(guó)

（1.江漢油田采油工藝研究院，武漢 430000；2.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.江蘇油田試采一廠，江蘇揚(yáng)州 225200；4.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司，天津 300452；5.江漢機(jī)械研究所，湖北荊州 434000）①

隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，油井產(chǎn)能降低，產(chǎn)出液含水量高，需要電泵轉(zhuǎn)抽、加深泵掛等措施來(lái)維持油田的產(chǎn)量［1］。但是，在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在很多問(wèn)題，使抽油桿頻繁失效，影響油井產(chǎn)量，還浪費(fèi)了大量的作業(yè)費(fèi)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，抽油桿的失效形式主要有疲勞破壞、磨損破壞和腐蝕破壞［2－4］，尤其以疲勞斷裂和腐蝕疲勞斷裂最為嚴(yán)重。本文從其典型疲勞斷裂出發(fā)，研究了抽油桿桿體的裂紋擴(kuò)散機(jī)理和表面缺陷臨界尺寸，為在設(shè)計(jì)的初始階段做好預(yù)防與控制措施，達(dá)到提高產(chǎn)品性能，減少作業(yè)費(fèi)用，穩(wěn)定產(chǎn)量的目的。

1 典型失效形式

1.1 腐蝕疲勞斷裂

現(xiàn)場(chǎng)工作中的抽油桿均存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重腐蝕時(shí)發(fā)生腐蝕疲勞斷裂，如圖1～2所示，斷口表面存在明顯腐蝕坑，深度達(dá)1～3mm。分析原因：在生產(chǎn)液的腐蝕作用下，抽油桿的表面會(huì)產(chǎn)生局部腐蝕，從而形成蝕坑。當(dāng)外力作用在這些蝕坑處時(shí)，會(huì)由于應(yīng)力集中形成抽油桿的腐蝕疲勞裂紋源。在抽油桿工作過(guò)程中，由于上下沖程載荷變化，形成的裂紋源快速擴(kuò)展，從而導(dǎo)致其早期斷裂失效。此外，由于抽油桿表面存在的凹坑和刻痕等缺陷處于腐蝕環(huán)境中，這樣更加快了腐蝕速度［5］。

圖1 抽油桿腐蝕疲勞斷裂斷口微觀形貌

圖2 抽油桿腐蝕疲勞斷裂斷口形貌

1.2 疲勞斷裂

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)10余件抽油桿的斷裂形貌統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為疲勞斷裂是其主要失效形式。典型的斷口宏觀形貌如圖3所示，即，斷口無(wú)明顯的塑性變形，裂紋擴(kuò)展區(qū)因裂紋反復(fù)擠壓摩擦呈光滑海灘狀波紋，最后余下的截面發(fā)生脆性斷裂。從斷口宏觀形貌看來(lái)，斷口可分為3個(gè)區(qū)域：疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。

圖3 抽油桿疲勞斷裂斷口形貌

2 抽油桿桿體表面缺陷臨界尺寸

在生產(chǎn)過(guò)程中，抽油桿主要承受著沿軸向的拉伸或拉壓交變載荷。如前所述，抽油桿的斷裂主要是因?yàn)槠跀嗔眩@種疲勞破壞也是因?yàn)樵诔橛蜅U表面存在局部裂紋缺陷或者存在局部腐蝕效應(yīng)，這種裂紋缺陷的不斷擴(kuò)展導(dǎo)致了抽油桿的疲勞破壞。評(píng)定抽油桿的表面缺陷有3個(gè)重要指標(biāo)，即臨界尺寸、門檻尺寸和剩余壽命。抽油桿在疲勞破壞過(guò)程中，其缺陷由不擴(kuò)展發(fā)展到緩慢擴(kuò)展區(qū)時(shí)，此時(shí)抽油桿破壞處于缺陷的門檻尺寸；當(dāng)缺陷發(fā)展到快速擴(kuò)展的分界點(diǎn)時(shí)處于缺陷臨界尺寸［6］。因此，確定臨界尺寸和門檻尺寸對(duì)于在實(shí)際工作中控制抽油桿失效具有重要意義?，F(xiàn)場(chǎng)中最常見(jiàn)的抽油桿類型為20CrMo 鋼D 級(jí)抽油桿，本文以此為例進(jìn)行分析。

由于抽油桿中裂紋為張開(kāi)型裂紋，在交變應(yīng)力作用下，當(dāng)裂紋頂端應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，超過(guò)材料的腐蝕擴(kuò)展門檻值Δkth時(shí)，張開(kāi)型裂紋開(kāi)始緩慢擴(kuò)展［3］；當(dāng)裂紋擴(kuò)展至臨界狀態(tài)時(shí)，抽油桿上的臨界裂紋開(kāi)始快速失穩(wěn)致使裂紋所在截面迅速分離，產(chǎn)生斷裂，其斷裂后斷口如圖4所示。

圖4 抽油桿斷口

I型裂紋（張開(kāi)型）的應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式為

式中：M為與裂紋組態(tài)，是與加載方式、試樣幾何有關(guān)的函數(shù)。

抽油桿局部表面裂紋最深點(diǎn)和表面點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子的近似表達(dá)式［7］為

式中：r為抽油桿桿體半徑；a為部分橢圓表面裂紋最深點(diǎn)深度，即橢圓短半軸；c為橢圓長(zhǎng)半軸；σ為抽油桿桿體橫截面上的平均拉應(yīng)力。

2.1 桿體表面缺陷臨界尺寸

當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子k為0.33時(shí)，得到相對(duì)應(yīng)的Goodman載荷如圖5所示。

圖5 不同規(guī)格抽油桿的Goodman載荷

在確定的Goodman載荷下，此類抽油桿桿體局部表面缺陷臨界尺寸參考值，如圖6所示。

圖6 Goodman載荷下桿體局部表面缺陷ac值

同樣也可得到桿體環(huán)形表面缺陷臨界尺寸，如表1。

表1 Goodman 載荷下桿體環(huán)形表面裂紋ac值

抽油桿過(guò)渡段表面缺陷區(qū)可分為局部表面缺陷和環(huán)形表面缺陷，并抽象規(guī)格化為部分橢圓表面裂紋和環(huán)形表面裂紋，用抽油桿過(guò)渡段表面缺陷應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式和雙判據(jù)臨界狀態(tài)方程，可以得到過(guò)渡段表面缺陷臨界尺寸。

2.2 抽油桿各部位表面缺陷門檻尺寸

如前所述，在交變應(yīng)力作用下，當(dāng)裂紋（缺陷的抽象）頂端應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值：

Δk＝kmax－kmin＜Δkth時(shí)，裂紋不擴(kuò)展；當(dāng)Δk＝kmax－kmin＞Δkth，同時(shí)kmax＜k1c裂紋緩慢擴(kuò)展（疲勞擴(kuò)展），其中kmax和kmin分別為最大和最小應(yīng)力強(qiáng)度因子。

當(dāng)Δk＝kmax－kmin＝Δkth時(shí)，裂紋處于不擴(kuò)展和緩慢擴(kuò)展臨界狀態(tài)，即為缺陷疲勞擴(kuò)展門檻尺寸ath。

對(duì)于20CrMo鋼D 級(jí)抽油桿，在Goodman 載荷下，分別將應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式和20CrMo鋼D級(jí)抽油桿桿體的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值Δkth聯(lián)合建立張開(kāi)性裂紋頂端應(yīng)力計(jì)算方程，即可得到桿體局部表面缺陷門檻尺寸參考值，如圖7所示。桿體環(huán)形表面缺陷門檻尺寸均小于0.1mm，即，在設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)尺寸均不能小于該門檻值。

圖7 Goodman載荷下桿體局部表面缺陷門檻尺寸

3 結(jié)論

1）抽油桿受到交變載荷作業(yè)，如果存在缺陷易發(fā)生疲勞斷裂失效和腐蝕疲勞斷裂失效。

2）對(duì)于20CrMo鋼D 級(jí)抽油桿，在的Goodman載荷下，桿體環(huán)形表面缺陷門檻尺寸應(yīng)小于0.1mm。在進(jìn)行抽油桿柱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行門檻尺寸的限制，確保其使用壽命。

［1］付波.抽油桿脫扣技術(shù)分析及對(duì)策［J］.科技資訊，2007（19）：103.

［2］蔡俊杰..抽油桿斷脫原因分析［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，26（1）：75－78.

［3］李國(guó)義，郝麗麗.李箐泉.抽油桿桿體表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（11）：14－16.

［4］張艷敏.抽油桿失效分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（7）：85－88.

［5］單春艷，李春福，程立章.油田用抽油桿斷裂分析［J］.理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2008，44（4）：203－205.

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［7］李其.抽油桿表面裂紋及剩余壽命的可靠性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006.